El Hierro y sus aleaciones

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro( CFe3). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.

Clasificación del hierro

FERRITAAunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. CEMENTITA Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas

PERLITA Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. AUSTENITAEste es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.

MARTENSITA Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. BAINITA Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita.LEDEBURITALa ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.

El término acero sirve para denominar a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 1,075 % en peso de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0 % se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que además de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».Históricamente un 90% de la producción total producida mundialmente corresponde a aceros al carbono y el 10% restante son aceros aleados. Sin embargo, la tendencia es hacia un crecimiento de la proporción de los aceros aleados en desmedro de los aceros al carbono. En esta tendencia tiene importancia la necesidad de aligerar pesos.

ACEROS ALEADOSSE DA EL NOMBRE DE ACEROS ALEADOS A LOS ACEROS QUE ADEMÁS DE LOS CINCO ELEMENTOS: CARBONO, SILICIO, MANGANESO, FÓSFORO Y AZUFRE, CONTIENEN TAMBIÉN CANTIDADES RELATIVAMENTE IMPORTANTES DE OTROS ELEMENTOS COMO EL CROMO, NÍQUEL, MOLIBDENO, ETC., QUE SIRVEN PARA MEJORAR ALGUNA DE SUS CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES. TAMBIÉN PUEDE CONSIDERARSE ACEROS ALEADOS LOS QUE CONTIENEN ALGUNO DE LOS CUATRO ELEMENTOS DIFERENTES DEL CARBONO QUE ANTES HEMOS CITADO, EN MAYOR CANTIDAD QUE LOS PORCENTAJES QUE NORMALMENTE SUELEN CONTENER LOS ACEROS AL CARBONO, Y CUYOS LÍMITES SUPERIORES SUELEN SER GENERALMENTE LOS SIGUIENTES: SI=0.50%; MN=0.90%; P=0.100% Y S=0.100%.LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN QUE MÁS FRECUENTEMENTE SUELEN UTILIZARSE PARA LA FABRICACIÓN DE ACEROS ALEADOS SON: NÍQUEL, MANGANESO, CROMO, VANADIO, WOLFRAMIO, MOLIBDENO, COBALTO, SILICIO, COBRE, TITANIO, CIRCONIO, PLOMO, SELENIO, ALUMINIO, BORO Y NIOBIO.

El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además de hierro, cuyo contenido puede oscilar entre 97,0-99,5%-, hay en él muchos elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y silicio), a la dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros).El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad.

ACERO AL CARBÓN

Forman una familia de materiales de expansión controlada. Son un componente esencial en la fabricación de termostatos bimetálicos, ampliamente usados en planchas, tostadoras, interruptores de seguridad, calefactores, termómetros, etc. El Invar también se utiliza en la fabricación de monitores y televisores y tubos de rayos catódicos.Se caracterizan por su bajo coeficiente de dilatación lineal en un amplio rango de temperaturas. El Invar 36 tiene 36% de Níquel (el resto es Hierro) y posee la menor expansión térmica entre todos los metales y aleaciones en el rango desde temperatura ambiente hasta 230°C. Es una aleación dúctil y soldable, y puede maquinarse en forma similar a los aceros inoxidables auténticos.

LAS ALEACIONES DE NÍQUEL-HIERRO (CONOCIDAS COMO INVAR O NILO)

El silicio incrementa la fluidez y desplaza la composición eutéctica hacia la izquierda, lo cual baja la temperatura de solidificación. Al aumentar el Silicio decrece el área de la austenita y el contenido de carbono eutectoide. Al ser un enérgico grafitizador, si no es balanceado por otros elementos formadores de carburo, el carbono primario precipita como hojuelas de grafito. Una vez que se constituye el carbono primario como grafito su forma ya no puede alterarse. Estas hojuelas rompen la continuidad de la matriz y generan un efecto concentrador de esfuerzos como verdaderas entallas, lo cual explica la baja resistencia y ductilidad de la fundición gris.

INFLUENCIA DEL SILICIO

INFLUENCIA DEL AZUFRETiene el efecto contrario del silicio, ya que tiende a estabilizar los carburos. Además tiende a formar FeS, un compuesto intermetálico de bajo punto de fusión que al formar redes interdendríticas, provoca fisuras y fragilidad en caliente. Reduce la fluidez y provoca rechupes y cavidades en piezas fundidas.En general el azufre se controla con el manganeso ya que forma MnS, unas partículas muy duras y pequeñas que no perjudican demasiado a la matriz.

Es un estabilizador de carburos, pero menos potente que el azufre. En la proporción correcta (3 a 1 con el azufre) forma MnS, reduciendo el carbono combinado y el efecto del azufre. El exceso retarda un poco la grafitización primaria y estabiliza la cementita eutectoide.

INFLUENCIA DEL MANGANESO

INFLUENCIA DEL FÓSFOROLa mayor parte proviene del mineral de hierro y del carbón mineral. Se combina con el hierro para formar Fe3P, que constituye un eutéctico ternario con la cementita y la perlita llamado esteadita. La esteadita es frágil y con alto contenido de fósforo, tiende a formar redes interdendríticas alrededor de la austenita primaria y por lo tanto le confiere fragilidad a la fundición. Su contenido debe controlarse cuidadosamente.Su efecto aumenta la fluidez y favorece la grafitización primaria junto al silicio. Es útil para piezas muy delgadas.

• Su densidad media es de 7850 kg/m³.• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o

fundir.• el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de

alrededor de 1.375 °C • Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.• Es un material tenaz, dúctil y maleable• Permite una buena mecanización en.• Tiene gran dureza• Se puede soldar con facilidad.• Los aceros se oxidan con suma facilidad • Posee una alta conductividad eléctrica. • Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales.

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y TECNOLÓGICAS DEL ACERO

Aplicaciones del acero

Las aleaciones ferrosas está presente de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana, tienen al hierro como su principal metal de aleación. Los aceros que son aleaciones ferrosas, son las más importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas. Los elementos de aleación tales como el níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleación. Los aceros de baja aleación presentan buena combinación de alta resistencia y tenacidad.

Aplicaciones del acero• Está en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y

formando parte de electrodomésticos, en general la mayoría de piezas que ocupan una gran resistencia mecánica.

• También es parte de las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios modernos como armaduras de las grandes estructuras sobre las que se soportan.

• Uno de los grandes consumidores del acero son los grandes astilleros constructores de barcos, especialmente petroleros, y gasistas u otros buques cisternas.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE AGUASCALIENTESINGENIERÍA CIVIL

5° SEMESTREQUíMICA

M. C. Q. JANETT CECILIA SÁNCHEZ ARANA

JOSÉ ALBERTO CORONEL MÁRQUEZHORACIO SALVADOR HERNÁNDEZ PANTOJA

JORGE ALFONSO IBARRA LABRAÓSCAR ROBERTO DE LOERA AGUILAR